CN1544682A - 装载机整体式耐磨铲刀刃的材料、热处理及焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

装载机整体式耐磨铲刀刃材料，其特征是：所述的铲刀刃材料为国产钢材1E921，所述的钢材1E921含：C 0.15－0.20，Si0.15－0.35，Mn 0.95－1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr 0.40－0.65，Mo0.25－0.35，B 0.0005－0.0030。装载机整体式耐磨铲刀刃材料热处理工艺，其特点是：将整体式铲刀刃由推料机推入淬火加热炉整体加热至910～950℃，保温一定时间后推入淬火压床进行压力淬火，再经回火炉整体回火，使铲刀刃硬度达到HRC40～48。装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：焊接工艺可以采用实芯焊丝Co2焊、药芯焊丝Co2焊、Ar+Co2混合气体保护焊和手工电弧焊，焊接线能量控制在9～20KJ/cm之间，并应严格清理焊根。本发明具有强度高、韧性好、不易变形和断裂、耐磨、可焊性好的特点。

Description

装载机整体式耐磨铲刀刃的材料、热处理及焊接工艺
技术领域
本发明属于施工机械装载机，特别是涉及装载机整体式耐磨铲刀刃的材料、热处理及焊接工艺。
背景技术
铲刀刃是铲斗前沿刀板，为带有刀口的长板件，如ZL50型装载机铲刀刃，尺寸(长×宽×厚)为2990×300×30mm。其工作条件十分恶劣，对钢材的要求较苛刻。工作时，在强力作用下，铲刀刃直接铲入物料(如矿石、沙、煤等)与物料发生强力摩擦和撞击，因此要求有足够的硬度和韧性，以抵挡磨损、变形和断裂。对于长板钢，热处理后极易变形，且变形不易控制。图纸对变形有极苛刻的要求：全长变形量δ≤6mm或每300mm变形量δ≤1.5mm。
目前我国使用的装载机的铲刀刃为四片式普通铸钢拼焊或由16Mn等钢板制成，未经热处理，其强度低、韧性差、易变形和断裂，耐磨性差。
常林股份有限公司采用中频淬火热处理工艺进行铲刀刃热处理，虽可提高铲刀刃的硬度和耐磨性，但由于中频淬火的特性决定此工艺只能对铲刀刃刀口部份的表面淬火，铲刀刃的寿命无法大幅度提升。淬火时采用的CW-A型淬火介质成本相对较高，且对环境有一定的污染。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：提供一种装载机铲刀刃的材料，它具有强度高、韧性好、不易变形和断裂、耐磨、可焊性好的特点，同时提供由该材料制成的整体式铲刀刃的整体淬火热处理工艺及设备，使充分发挥该材料的性能，使铲刀刃寿命提高3倍以上，成本低，有利于环保，并且能够达到产品变形量的要求。提供一种该材料铲刀刃与铲斗焊接的工艺，在不预热和焊接坡口清净的情况下，接头质量即可以防止裂纹，不出现脆化，接头强度接近铲斗QJ63钢的强度。
本发明的技术解决方案是：装载机整体式耐磨铲刀刃材料，其特征是：所述的铲刀刃材料为国产钢材1E921，所述的钢材1E921含：C0.15-0.20，Si0.15-0.35，Mn0.95-1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr0.40-0.65，Mo0.25-0.35，B0.0005-0.0030。
装载机整体式耐磨铲刀刃材料热处理工艺，其特点是：将整体式铲刀刃由推料机推入淬火加热炉整体加热至910～950℃，保温一定时间后推入淬火压床进行压力淬火，再经回火炉整体回火，使铲刀刃硬度达到HRC40～48。
装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：焊接工艺可以采用实芯焊丝Co2焊、药芯焊丝Co2焊、Ar+Co2混合气体保护焊和手工电弧焊，焊接线能量控制在9～20KJ/cm之间，并应严格清理焊根。
本发明与现有技术相比具有如下优点：1、本发明使用的1E921钢制造铲刀刃，其使用寿命比传统铲刀刃提高了3倍以上；2、1E921钢是目前国内用于焊接结构中强度最高的新钢种，其焊接性能研究尚属空白，与美国卡特公司工艺比较，取消预热工序，简化工艺，提高效率，降低劳动强度，其焊接接头质量达到美国卡特产品水平。3、铲刀刃热处理生产线可满足1E921钢制铲刀刃生产的需要，使用可靠，产品达到美国卡特公司1E921钢产品标准；4、本发明组成部分充分吸收、消化了引进国外设备的先进技术，整个生产线实现微机控制，具有全线自动操作、单机自动操作和手动操作三种功能，实现了加热、淬火、回火各工艺参数可控；热处理炉采用幅射管加热、耐火纤维炉衬、炉门曲柄压紧机构、滚轮式轨道、氮基保护气氛等先进技术，独创了我国最大规格的大型板件淬火压床，其结构新颖，具有压力可调，行程速度可变、喷水均匀的特点；设计了浮动辊道，与压床混为一体，使铲刀刃直接从淬火加热炉接到淬火压床，可随压床升降，实现最省时和简便的输送操作。5、本发明具有明显的经济效益和社会效益，实现高性能装载机铲刀刃国产化生产，其生产成本比进口件下降30-60％。
附图说明
图1为本发明装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺最佳焊接线能量范围。
图2为本发明装载机整体式耐磨铲刀刃热处理生产线工艺框图。
具体实施方案
本发明研制国产钢材1E921，具有强度高、韧性好、不易变形和断裂、耐磨、可焊性好的特点。为使其具有上述特点，自制热处理生产线，其特点是：满足铲刀刃热处理要求，热处理工艺由设备控制和保证；探索出一套1E921钢与铲斗材料QJ63钢的焊接方法、焊接材料及相应的焊接工艺措施，以满足铲刀刃与铲斗焊接的质量要求。
下面详细描述本发明的实施例。
1、铲刀刃用钢1E921的成份
                     表1  1E921钢  化学成分(％)
C Mn Si Cr P S Mo B
    0.15～0.21     0.95～1.30     0.15～0.35     0.40～0.65 ≤0.035 ≤0.040     0.25～0.35   0.0005～0.0030
该钢的相变点如下：Ac1＝730℃；Ac3＝850℃；Ar1＝562℃；Ar3＝754℃；Ms＝400℃。
该钢属低碳高强度合金钢。
2、1E921钢淬透性
按GB225-88标准进行淬透性末端淬火试验，奥氏体化温度为920±10℃。
             表2  淬火性试验结果  硬度值(HRC)
序号                        距淬火端距离(mm)
    1.5     4.5     10.5     22.5     33.0
1     44     44     35.5     27     25
2     44.5     45     35.5     27     25
3 44 43.5 42.5 27.5 24.5
4     44     44     35.5     27     24.5
5     43.5     43     36     26.5     26
6     43.5     44.5     35.5     28     26
根据此钢淬透性性能，当铲刀刃采用与末端淬火试验相近的加热和冷却条件，可满足铲刀刃性能要求。
3、金相组织与晶粒度
试样的热处理状态：920±10℃淬火，200℃回火奥氏体晶粒度：7-8级，少数为6级(约占20％)，保持细晶粒状态。金相组织：板条状马氏体。
4、机械性能
铲刀刃的机械性能随热处理工艺而异，其拉力试验结果如表3。
                       1E921钢机械性能                        表3
    试样状态   σs(Mpa)    σb(Mpa)    δs％    Ψ％
热轧状态     675675600     815820820     191818    494546
正火状态     650605650     825830830     192120    464648
淬火+150℃回火     135013401400     145014301440     1099     424242
淬火+200℃回火     132013101290     142014001410     101010     434343
淬火+250℃回火     131013201310     137013701370     101010     434345
淬火+300℃回火     127012901280     133013201320     91010     454545
淬火+350℃回火     12301250     12701270     911     4646
由此看出，钢的强度(σs σb)随回火温度升高而降低，延伸率(δs％)随温度升高而升高，但在150～350℃回火温度下变化不大。面积缩减率(Ψ％)也随回火温度而升高，但在200～250℃时较平稳。综合钢的强度和韧性，制作铲刀刃宜选择200℃回火。此时性能为σs＝1310Mpa，σb＝1410Mpa，δs％＝10，Ψ％＝43。
5、焊接性能及焊接工艺
装载机的铲斗为焊接结构，斗壁采用低碳调质高强度合金钢QJ63，其强度σs＝830Mpa，硬度为HRC25，铲刀刃直接焊接在铲斗上。
(1)焊接方法
可按生产条件选用：实芯焊丝CO2焊、药芯焊丝CO2焊、Ar+CO2混合气体保护焊和手工电弧焊。
从综合质量看以Ar+CO2混合气体保护焊最好，但成本较高；从经济角度考虑用实芯焊丝CO2焊有利；缺乏设备条件的可用手工电弧焊，其电焊条为E5016，焊前经350℃×2小时，烘干随取随焊。必须选用低氢型焊条，尽量减少氢的来源。
(2)焊接材料
对于装载机铲斗的具体结构，按低匹配原则选择焊接填充材料是合理的。建议用熔敷金属强度为500MPa的填充材料，焊后接头强度已接近母材(QJ63钢)，可在不预热条件下施焊而不产生裂纹。
推荐表4所列焊接材料：
                      表4  推荐用焊接材料
    名称     型号   规格(mm)      标准      焊接方法
  实芯焊丝   H08Mn2SiA   Φ1.2  GB8110-87 CO2焊、Ar+CO2焊
  药芯焊丝   EF035041   Φ2.0  GB10045-85 CO2焊
  电焊条   E5016   Φ3.2，Φ4  GB5118-85 手工电弧焊
大于500MPa级别的焊接材料，须经试验后才使用。
(3)焊接工艺参数
一般低碳调质钢的焊接线能量是以抗裂性和韧性要求为依据的。合理的线能量范围应控制在9～20KJ/cm之间，上限取决于热影响区不出现脆化组织，下限取决于不产生冷裂纹。经抗裂性试验表明，线能量在16KJ/cm的断面裂纹率最低，低于或高于此值，裂纹率均增加；力学性能试验中，用14KJ/cm线能量焊接，其热影响区和熔合线韧性最高，随着线能量的增加而降低；热模试验中，线能量9.4KJ/cm时过热段的韧性最高。
综合对1E921钢焊接性的认识，又顾及QJ63钢的焊接特点，最佳的焊接线能量范围如图1。
研究表明，采用国产焊接材料在不预热和焊接坡口清净的条件下，用上述焊接工艺，配合合理的焊接顺序，质量即可以防止裂纹，不出现脆化，接头强度接近铲斗钢材的强度，长期使用，即使刀板磨损失效，接头仍可以完好，其焊接质量能达到与美国卡特公司同等水平。
6、铲刀刃热处理工艺
根据前述1E921钢性能选用铲刀刃热处理工艺参数如下：
加热温度920±10℃—保温时间45～60min(根据铲刀刃厚度)—喷水淬火-200℃回火2小时。
下面结合图2进一步阐述热处理工艺的实施例。
如图2所示，该生产线由推料机1、淬火加热炉2、淬火压床3、中间输送辊道4、回火炉5、末端输送辊道6、供水及冷却系统7、保护气供气系统8及微机控制系统9等部份组成，铲刀刃工艺过程为：铲刀刃由推料机1推入淬火加热炉2，在氮气保护气氛中加热至淬火温度920±10℃，并保温40～60min，然后迅速推入淬火压床3，在上下压头压住后强烈喷水，再经中间辊道4进入回火炉5回火，回火后送至末端输送辊道6，处理完毕。整个热处理过程由微机系统控制，实现自动化。经热处理后，铲刀刃表面硬度达到HRC40～48，芯部硬度大于HRC35。由于采用淬火压床压力淬火，且特别设计的供水及冷却系统使上下喷头同时喷水，喷水均匀，保证铲刀刃变形量达到要求，即全长变形量小于6mm，或300mm内变形量小于1.5mm。本发明的热处理过程使用的氮气取自大气，淬火介质为水，并进行回收，成本低廉，加热炉保温性好，采用辐射管加热，热效率高，符合环保要求。
该热处理生产线具有如下特点：
(1)设备专用性强。装载机铲刀刃是长薄板状工件，必须要有大型的专用保护气氛加热炉和淬火压床来实现其热处理工艺，在国内尚无先例。
(2)技术难度大。该生产线在热工、热处理、锻压、机械、保护气氛和电控等方面协同工作，把专用淬火加热炉、大型淬火压床、大型专用回火炉、机械传动、制氮及微机控制联合组成全自动生产线，达到国内先进水平。
(3)把铲刀刃热处理工艺参数控制和工艺操作过程有机地融入生产线各部分装置中，操作过程体现了铲刀刃热处理生产过程，保证热处理工艺圆满地实施，控制了长件的热处理变形。
(4)淬火加热炉采用了辐射管加热、耐火纤维预制炉衬、炉门曲柄压紧机构、滚轮式轨道、氮气保护气体等先进技术，获得少无氧化加热和省电、节气、节时的热处理效果。
(5)独创我国最大规格的大型板件淬火压床；把输送辊道与淬火压床融为一体的浮动式辊道，实现最省时和简便的输送操作；把淬火冷却参数控制与淬火压床结构有机的结合，把影响淬火件变形诸因素的控制融入淬火压床结构中。
(6)实施近代控制手段，整条生产线的控制系统采用PLC与微机仪表控制热处理工艺过程，实现加热、淬火、回火各工艺阶段全部工艺参数可控。
本发明解决了装载机铲刀刃从材料选用、热处理工艺到与铲斗焊接工艺等一系列技术难点，并提供热处理生产线，成功解决热处理工艺实现的难题。
1E921钢是目前国内用于焊接结构中强度最高的新钢种，经热处理后具有强度高、韧性强、不易变形和断裂、焊接性好，满足铲刀刃的工作需求。其焊接工艺研究尚属空白，经生产应用，证明该工艺方法先进，与美国卡特公司工艺比较，取消预热工序，简化工艺，提高效率，降低劳动强度，焊接质量达到美国产品水平。自制的热处理生产线使用了多项先进技术，满足1E921钢制铲刀刃生产需求，使用可靠，填补了我国大型铲刀刃整板件热处理生产线的空白。

Claims (11)

1、装载机整体式耐磨铲刀刃材料，其特征是：所述的铲刀刃材料为国产钢材1E921，所述的钢材1E921含：C 0.15-0.20，Si0.15-0.35，Mn 0.95-1.30，P≤0.035，S≤0.040，Cr 0.40-0.65，Mo0.25-0.35，B 0.0005-0.0030。
2、装载机整体式耐磨铲刀刃材料热处理工艺，其特点是：所述的热处理为：将整体式铲刀刃推入淬火加热炉整体加热至910～950℃，保温一定时间后推入淬火压床进行压力淬火，再经回火炉整体回火。
3、根据权利要求2所述的装载机整体式耐磨铲刀刃热处理工艺，其特征是：所述的保温时间应根据铲刀刃的厚度而选用，一般为45-60分钟，所述的回火时间为2小时。
4、根据权利要求2所述的装载机整体式耐磨铲刀刃热处理工艺，其特征是：所述的加热并保温工序中采用氮气保护，其氮气纯度为99.5％。所述的压力淬火为：铲刀刃由淬火压床压住后上下喷头同时均匀、强烈喷水冷却，淬火压床压力2000千牛。
5、根据权利要求2所述的装载机整体式耐磨铲刀刃热处理工艺，其特征是：铲刀刃热处理后表面硬度达到HRC40-48，芯部硬度大于HRC35，全长变形量小于6mm，或每300mm变形量小于1.5mm。
6、根据权利要求2所述的装载机整体式耐磨铲刀刃热处理工艺，其特征是：所述的淬火加热温度最好为920±10℃，所述的低温回火温度最好为200℃。
7、装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：焊接工艺可以采用实芯焊丝Co2焊、药芯焊丝Co2焊、Ar+Co2混合气体保护焊和手工电弧焊，焊接线能量控制在9～20KJ/cm之间，并应严格清理焊根。
8、根据权利要求7所述的装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：所述的实芯焊丝Co2焊，其焊接填充材料为H08Mn2SiA焊丝。
9、根据权利要求7所述的装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：所述的药芯焊丝Co2焊，其焊接填充材料为BF035041焊丝。
10、根据权利要求7所述的装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：所述的Ar+Co2混合气体保护焊，其焊接填充材料为H08Mn2SiA焊丝。
11、根据权利要求7所述的装载机整体式耐磨铲刀刃焊接工艺，其特征是：所述的手工电弧焊，其电焊条为E5016，焊前经350℃×2小时，烘干随取随焊。
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